JPS59501223A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 クライオポンプの周期的脱離装置 本発明はガスの極低温冷却により高真空をつくるための装置に関し、より特別に はクライオポンプに吸収された余分なガスを選択的に除去するための装置に関す る。

発明の背景 ”クライオポンプ０或は”クライオジェニックボンピング７は極低温に冷却され た表面上の容器内のガスを凝縮或は吸着することにより閉じた容器内に低圧を形 成する技術である。このクライオポンピングは一般に２段又はそれ以上の多段で 生ずる。

水蒸気、炭酸ガス、ハロゲンガスとくに比較的低沸点を有ｆるガスを含むタイプ Ｉのガスと呼称されるガスは約１０００ＫＫ冷却された第１段クライオパネル上 で冷却される。

窒素、アルゴン等を含むタイプＨのガスと呼称される、）、り低沸点のガスが約 ２０°Ｋに冷却された第２段クライオパネル−１−で冷却される。

タイプ■のガスと呼称される水素、ヘリウムおよびネオンを含む最も沸点の低い ガスかボックス或はトラップ形態の表面に取付けられた分子ふるい（ｍｏｌｅｃ ｕｌａｒ　５ｉｅｖｅ）や活性炭のととき吸着剤上に低温学的に吸着されて２０ ’に以下に冷却される。

このボックス或はトラップはしばしば主ポンプ面或は主クライオパネルと呼ばれ る。

クライオポンプは、中で極めて低い圧力を必要とする作用が行われるチャンバに 取付けて使用するのに特に用いられる。そのような作用例は特殊な電気的或は光 学的特性をもつ金属および非金属フィルムの付着を含む。これらのフィルムは集 積回路の装置における半導体産業やレンズ、フィルターおよｏ・ミラーの製造に おける光学産業において使用される。そのような′加工の多くにおいては、水と 金属との反応の副産物として或は水蒸気のイオン化によって水素が遊離される。

水素のようなタイプＩＩＩの（クライオパネルされた）ガスに対する典型的なり ライオポンプの容量は、冷却されたタイプＩ又はタイプ■のガス（で対する容量 よりもはるかに小さい。それ故、ポンプの吸着剤は比較的短時間の作用で飽和し てしまう。吸着剤の容量を回復するために、吸着剤が暖められねばならずクライ オパネルされたガスは放出（ｄｅｖｏｌｖｅ）される。この再生作用は通常クラ イオポンプを止めてそれを加温することにより行われる。ポンプが加温され乙際 に放出されるガスは補助ポンプにより除去される。

しかしながら、行われている作用に関する限り、これは時間のロスである。作用 が望まれるとき、この再生のための時間のロスは、しばしばクライオポンプが飽 和する前の作用時間にもおよぶ。

本発明は特にソルベントから水素を除去してクライオポンプのロス時間を大巾に 減少させるための手段に向けられている。

発明の開示 多段クライオポンプの吸着剤付クライオパネルを飽和した水素および又は他の低 沸点ガスは、補助的クライオパネルからより高い沸点のガスを昇華させることな く、主クライオパネルから水素等のガスを脱離せしめて選択的に除去することが できる。

３ これは、第１の低沸点ガスを吸着する手段を有する低温ヒートシンクと関連した 主クライオパネルを有する典型的なりライオポンプにて達成される。より高温の ヒートシンクと関連した第２のクライオ・パネル（単数又は複数）がある。それ は第２のより高沸点のガスを凝縮するための手段を有する。クライオポンプはガ スなりライオパネルから脱離させるのに必要な温度以上にクライオパネルを昇温 させろべく主クライオパネルに熱を選択的に伝達する手段を有する。該選択的な 脱離作用は、それが実質的に補助的クライオパネルに熱を加えないようにコント ロールされる。したがって、それは補助的クライオパネルからより高沸点のガス を昇華せしめない。

熱を主クライオパネルに伝達する手段は、主クライオパネルに関連した低温ヒー トシンクに選択的に係合および離脱するように可動な導伝熱性ロッドである。

脱離されたガス、例えば水素は補助ポンプによりシステム外に除去され、該ポン プは例えば非蒸発性のゲッタポンプであって、それはクライオポンプを作用させ ながら余分のガスを追出し、これによっていかなるロス時間をも生せしめないよ うにラインから外して配置できる。

図面の説明 第４図は多段クライオポンプ、加工チャンバξ、非蒸発性ゲッタポンプおよ、び その関連した弁コン１トロール機構を含む本発明を具体化させるシステムの線１ 図釣側面図、第２図は主クライオパネルに゛関連□、した伝熱手、段・を゛備え ５た多段クライオポンプ・の部分的に断面にした側２面図−・第３図冴よび舘４ ５図は主クライオ・ξネルに関連した他の伝熱手段を備えた多段クライオポンプ の部分的に断面にした側面図である。

第１図には加工チャンバ１２に直結したクライオポンプ１０が示されている。配 管１４は粗引きポンプ（図示せず）Ｋ通じている。非蒸発性のゲッタポンプ１６ 又は他の等価なポンプが配管１４によりクライオポンプ１０と連通している。遮 断弁１８がゲッタポンプと配管１４との間に介挿され、遮断弁２０および２２が ゲッタポンプ１６とクライオポンプ１００問およびゲッタポンプと粗引きポンプ との間にそれぞれ介挿されている。クライオポンプはモータ２４により駆動され る。制御論理手段２６が第１図には示していないがクライオポンプ内に配置され た温度センサと、該クライオポンプ１０内を可動な伝熱機構のハウジング２８と （（連結されている。

クライオポンプの詳細は第２図に示しである。ポンプは、加工チャンバ１２の壁 ３２（Ｃ円形フランジ３３により取付けられかつ多数のポル）３６（１つだけ示 す）により固定された主ハウジング又は壁３０を含む。フランジ３４０円形間口 ３８は加工チャンバ１２とクライオポンプ１０との間の連通なゆるす。

冷却器（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ）の２段コールドフィンガー４０が開口４２ を通してハウジング３０内に突出している。この場合、冷却器はギホード・マク マホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ　ＭｃＭａｈｏｎ）　タイプのものである。しかし、所 望なら他のタイプの冷却器を使用でき−る。コールドフィンガー４０の２段ディ スプレーサはモータ：２４８によ・り一駆動される。各ザイクルでヘリウムガス が導管４４を介して圧力下でコールドフィンガ４０：に導入される。該ガスは膨 張、冷却されて導管４・６を通して排出されろ。そのような冷却器は米国特許第 ３２′１１８８１５号に開示されている。

第１段のヒートシンク或はヒートステーション４８はコールドフィンガー４０の 第１段の低温端に設けられている。同様に、ヒートシンク６０がコールドフィン ガーの第２段の低温端に設けられている。適当な温度センサエレメント６４がヒ ートシンク６０に隣接して設けである。導管６６が該エレメントなりライオポン プ外側の制御論理手段２６（第１図）Ｋ連結している。

第２段のアレー状ポンプ面すなわち６７で大まかに示したクライオパネルはヒー トシンク６０上に装着した円形アレーよりなる。このパネル（″Ｊ、ディスク６ ８と、垂直方向に列状にされかつディスク６８に取付けられた一組の円形配列の シェブロン７０とを備えている。外側の円筒面７２を備えたトラップ７１は活性 炭７４のような低温ソルベントを保持している。このソルベントへの接近はジェ ノロン７０（第２図）を介して低沸点ガスにより得られる。表面７０と吸着剤７ ４は大まかに主低温クライオパネルと呼ふことかできる。

カップ状の放射シールド７６が第１段の高温ヒートシンク４８に数句けられてい る。コールドフィンガー４０の第２段６２４′ｆ、放射シールドの開ロア８を通 して伸びて（する。主クライオパネル６７の後部と側部とを取囲んで（・るシー ル）’７６４−１放射熱による主クライオパネルの加熱を最少限にして０る。

正面クライオパネル８０は主クライオパネル６７への放射シールドと、水蒸気の ような高沸点のタイプＩのガスに対するクライオポンプ面として作用する。この パネルはシールド７６に固定すれたスパーク状ロッド８４により接合された同心 状ルーバーおよびシェブロン８２の円形配列を備えている。この配列形状は円形 の同心状には限定される必要はない。しかしながら、バッフルの配列は、放射熱 シールドゝおよびより高温のクライオポンプパネルとして作用するだけではなく 、低沸点ガスが主クライオ・ξネル６７に至る通路を与える。シールド７６は該 シールド内で主クライオパネルへのガスの邪魔されない流れをゆるすべく十分大 きくされねばならない。

低沸点ガス離脱手段はハウジング２８を含み、その中に高伝熱性（好ましくは＠ ）のバー９０がクライオポンプの壁、３０を通して摺動するよう装着されている 。ばね９２がソレノイド゛９４とヒートバー９０にねじ込まれた強磁性部分９７ のヘッド′９６との間：（圧縮されている。バーにベローシール９５と、低伝熱 註ガイド９８であるナイフェツジにより案内さｎて放射シールド７６とを通され ている。同様に、バーは主ポンプ面６７’１通されている。バーの内方端ｌＯＯ はヒートシンク６０と熱的に連通したコールドフィンガ４０の第２段６２上の平 らなボス１０２と係合可能である。

ソレノイド９２が、第２図でみてヘッド９６の右方でヒートバー９０の強磁性部 分を包囲している。後述するように、ソレノイドが作動されると、ヒートバー９ ０の強磁性部分が右方へ引張られてバーの平らな端１００がボス１０２の平らな 面１０１と係合する迄バーをクライオポンプの壁３０とシールド７６とを通して 移動する。これは、シールド７６の温度を顕著に上げ７ ることなく−すなわちクライオポンプの高温ステージの温度を感知できる程に上 げることなしに、クライオポンプ壁３ｏ外側からの熱をバーを通して冷却器の第 ２段に直接伝えることを可能とする。主クライオパネルを約４０’に迄加熱する と、前に１０〜２５°にで吸着された主ポンプ面上の水素又は他のガスが離脱さ れる。、− 制御論理回路２６に連結された温度センサ６４はクライオポンプ内の温度変化を 検出して、これにより放出ガスによって生せしめられるガス伝導に基因する付加 的な熱負荷がポンプの容量をこえる前にソレノイドを消勢する。

上記の機構は次のようにして作用する。クライオポンプが作用する前に、ゲッタ ポンプ１６に通じている弁１８が最初して閉じられ、一方弁２０．２２が開かれ て粗引きポンプが当初大気圧にするクライオポンプと加工チャンバ１２を排気し 始２、うろのをゆるす。所定の部分的真空が得られたら、弁２ｏおよび２２が閉 じられて粗引きポンプが停止される。それからクライオポンプのモータ２４が始 動される。冷却器の第１段は補助的ポンプ面をはＭ２Ｏ３に以下に冷却して比較 的高沸点の水蒸気のごときタイプＩのガスを補助的クライオ・ξネルのポンプ面 上に凝縮せしめる。

第２段は約１０〜２５°に迄冷却されつづけて、窒素やアルゴンのごときタイプ ■のガスを低温段のアレー６７上に付着せしめ、また水素やネオンのごときタイ プ■のガスを活性炭ソルベントに吸着せしめる。加工チャンバ１２が所定の圧力 に到達な加工はアルミニウムを加工片上に蒸着するアルミニウムスパッタリング を含む。水蒸気の存在はアルミニウムとの反応により水素ガスを生せしめる。こ のようにして最初にポンプ１ｏとチャンバ１２内でつくられた水素ガスは他のガ スとともに活性炭により吸着されはじめる。水素は連続的につくられるので、そ して全容量は活性炭又は他の吸着剤の存在により限られているので、ソルベント は飽和し、加工チャンバ内の圧力が増加して加工をつづけることができる。

本発明が出現する前は、加工を止めて温度上昇を許すためにクライオポンプを停 止し、吸着されたガスがガス状態に戻るのをゆるし、その時点でガス（ま加工チ ャンバとクライオポンプからポンプにより排出されるのが常であった。

しかしながら、本発明によれば、加工チャンバが装填されが一つクライオポンプ １０が加工チャンバ１２がら分離されたまＮ、ソレノイド″９４が作動されてヒ ータバー９０がヒートシンク６２のボス１０２と係合するように移動される。し かしながら、クライオポンプは停止される必要はなく、第１段すなわち補助ポン プ内８０は連続的に約７０’ＫＫ冷却される。しかしながら、ヒータバーは第２ 段すなわち主ポンプ面が約４００ＫＫ加熱される迄ボス１０２と接触をつづけ、 これは水素を吸着剤から離脱せしめる。

この作用の開弁１８．２０．２２＆′！、閉じられる。それから弁１８．２０が 自動コントロール又は手動により開かれる。これによりゲッターポンプは吸着剤 ７４から離脱した水素をポンプ吸引するのをゆるす。

圧力センサがポンプＩＯ内の圧力が所定レベル迄低下して水素が除去したことを 知らせる。この間、加工チャンバはオペレータによりリサイクルされる。

それからヒータバー９０が、ソレノイド９４を制御論理回路′　２６によるか又 は所望の場合は手動によって切ることにより、ばね９２の力でボス１０２がら後 退される。ゲッターポンプに通じている弁２０は閉じられる。このとき冷却器の 第２段は４０°に以下１Ｏ０ＫＫ向って冷却が進み、ポンプ内にする残留ガスを 活性炭上に吸着せしめる。最終的罠全システムが再びチャンバ内で加工をするの に適切となる。

ゲッターポンプは間欠的にのみ使用され、かつシステムより閉じられているので 、それは任意に再生できる。再生はラインより外して行われるので、それは加工 ザイクルを邪魔することはない。クライオポンプの周期的な再生は、ソルベント が飽和して全体的な再生を必要とする時間をかなり延長する。

同様な技術を用いて、熱を主クライオパネルに伝達するため０２つの付加的な手 段を以下に説−明する。この２つの手段はクライオポンプの外側からエネルギー を第２段ヒートステーション即ち主クライオパネル６７に伝達する。放熱源はと もに光エネルギーである。

物体はそれらの温度によるエネルギーを放射する。物体が暖くなると、それはよ り多（のエネルギーを放射するだけではなく、比例的により短い波長でより多く のエネルギーを放射する。

特定の波長領域にわたるエネルギーを伝達する材料が存在するので、エネルギー 源と伝達源との組合わせは相伴う。

第３図には、クライオポンプの壁３０にボルト止め或は固定された包囲体１１１ ２内に設けられた高温ランプ１１０がある。

ランプｌｌＯは適当な配線１１４により制御論理回路に連結される。ランプから コールドフィンガー４０の第２段上のボス！０２の平面１０１迄視像線が形成さ れる５、視像線はシールド７６の開口１１６と主ポンプの第２の整列開口１１８ とを含む。

ポンプのハウジング３ｏ内の開口１２０はガラスプラク１２２によりシールされ ている。コリメートレンズ１２４がランプとプラグ１２２との間に配置されてい る。

高温ランプ１１０が点灯していないとき、それはボス１０２上の平面！、ｏＩＫ エネルギーを放射しない。しがしながら、ランプが点灯されると、それはコリメ ートレンズとガラスプラグ１２２を伝達可能な波長でエネルギーを放射する。例 えば、ガラスは０４〜２１’　ｒｎ波長の放射（で対し透明であるが、他の周波 数に対しては不透明である。３ＱＯ０にの黒体はこの範囲においてそのエネルギ ーの１．３Ｘ１０−５パーセント以下しか発散しない。一方３０００°Ｋ（タン グステンフィラメントの温度）では、それはその範囲でエネルギーの７３６％発 散する。ボス１０２の面１０１は最大の熱を吸収するようにはｙ黒くしである。

それ故、制御論理回路のコントロール下にある放射エネルギーの使用を通じて、 熱がコールドフィンガー４０のブランク６２のヒートシンク６０に選択的に伝達 可能である。

伝達手段の他の形態のものが第４図に示されており、それは支持手段１２２によ り支持されてヒートシンク６ｏのボス１０２０面に接近された光ファイバ束１２ ０を含む。光ファイバ束はブランク６７の開口１２４と放射シールド７６の開口 １２６とを通過している。それはフランジ手段１２８によりクライオポンプの壁 ３０にしつかりクランプされ、そこから外方に適当な位置布押びてそこで制御論 理回路に連結された適当な光源からエネルギーを受け取る。この場合、光源は発 光ダイオード＋３０として示しである。選択的離脱のためのクライオポンプの作 用方法は、光フアイバ束機構と上述したランプおよび伝熱ロッドと同じである。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の低沸点ガスを吸着でるだめの手段を有する低温ヒートシンクと関連し た主クライオノネルと、より高沸点のガスを１凝縮するための手段を有する高温 ヒートシンクと関連した補助クライオパネルとを備えたクライオポンプであって 、 該クライオパネルより前記第１のガスを離脱せしめるのに必要な温度以上に該ク ライオパネルを昇温させるべく、前記主クライオ・ξネルに選択的に熱を伝達す る手段を有することを特徴とするクライオポンプ。 ２　第１の低沸点ガスを吸着するための手段を有する低温ヒートシンクと関連し た主クライオノネルと、より高沸点のガスを凝縮するための手段を有する高温ヒ ートシンクと関連した補助クライオパネルとを備えたクライオポンプであって、 前記より高沸点のガスを補助クライオパネルから昇華させることなしに第１の低 沸点ガスを主クライオパネルから離脱させるべくクライオポンプの作用の間に起 動されるようにした手段を有することを特徴とするクライオポンプ。 ３　第１の低沸点ガスを吸着するための手段を有する低温ヒートシンクと関連し た主クライオパネルと、より高沸点のガスを凝縮するための手段を有する高温ヒ ートシンクと関連した補助クライオノミネルとを備えたクライオポンプであって 、 前記第１のガスを主クライオパネルから選択的に離脱せしめる手段と、該離脱せ しめられた第１のガスをクライオポンプから除去するための外部ポンプ手段とを 備えたことを特徴とするクライオポンプ。 ４、熱を伝達する手段が前記低温ヒートシンクと選択的に係合および離脱するよ うに移動可能な伝熱性ロッドである請求の範囲ｌのクライオポンプ。 ５、前記第１の低沸点ガスを離脱せしめる手段が前記低温ヒートシンクと係合お よび離脱できるように移動可能な伝熱性ロッドである請求の範囲２又は３のクラ イオポンプ。 ６　外部ポンプ手段が非蒸発性のゲッターポンプであるクレーム３のクライオポ ンプ。 ７　第１の低沸点ガスを吸着するための手段を有する低温ヒートシンクと関連し た主クライオノネルと、第２のより高沸点のガスを凝縮するための手段を有する 高温ヒートシンクと関連した補助クライオパネルと、前記第１のガスを主クライ オパネルから離脱させるべ（前記低温ヒートシンクと選択的に係合および離脱す るよって移動可能な伝熱性ロッドと、 当該クライオポンプから前記離脱された第１のガスを除去するための非蒸発性の ゲッターポンプとを備えてなるクライオポンプ。 ８　熱を伝達する手段が高温エネルギー源と該エネルギー源から主クライオパネ ルにエネルギーを投影する手段とよりなる請求の範囲ｌのクライオポンプ。 ９　熱を伝達する手段が光エネルギー源と該光エネルギー源かｌ４ ら主りライオパネル匠エネルギーを伝達する光フアイバ手段とからなる請求の範 囲ｌのクライオポンプ。 １０　前記第１の低沸点ガスを離脱させるための手段は高温エネルギー源と該エ ネルギー源から主クライオパネルにエネルギーを投影する手段とである請求の範 囲２又は３のクライオポンプ。 １１、前記第１の低沸点ガスを離脱せしめる手段が光エネルギー源と該エネルギ ー源から主クライオパネルにエネルギーを伝達する光フアイバ手段とからなる請 求の範囲２又は３のクライオポンプ。 １２　第１の低沸点ガスを吸着するための手段を有する低温ヒートシンクと関連 した主クライオパネルと、第２のより高沸点のガスを凝縮するための手段を有す る高温ヒートシンクと関連した補助クライオパネルと、高温エネルギー源および 該エネルギー源から主クライオパネルにエネルギーを投影する手段と、 クライオポンプから離脱された第１のガスを除去するための非蒸発性のゲラクー ポンプとからなるクライオポンプ。 １３　第１の低沸点ガスを吸着するための手段を有する低温ヒートシンクと関連 した主クライオパネルと、第２のより高沸点のガスを凝縮するだめの手段を有す る高温ヒートシンクと関連した第２のクライオパネルと、光エネルギー源および 該エネルギー源より主クライオパネルにエネルギーを伝達する光フアイバ手段と 、当該クライオポンプから離脱した第１のガスを除去するための非蒸発性のゲラ クーポンプとからなるクライオポンプ。 ■